DE10137428A1

DE10137428A1 - Device for measuring a solar UV radiation spectrum is configured to allow fast and simultaneous measurement of a spectrum with, at the same time, sufficiently high suppression of scattered light and sufficient dynamic range

Info

Publication number: DE10137428A1
Application number: DE2001137428
Authority: DE
Inventors: Martin Mislbeck; Gunther Seckmayer; Stephan Thiel
Original assignee: Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Priority date: 2001-07-27
Filing date: 2001-07-27
Publication date: 2003-02-20

Abstract

Device comprises an input slit (1), an arrangement (3) for splitting the incident radiation into a spectrum and imaging the input slit (1) on a first focal plane divided according to wavelength. A rectilinear receiver (5) is arranged in the focal plane and selects a first wavelength range with an opening (4) in the focal plane and a following arrangement (6) for splitting the beam into a second spectrum and imaging the opening in the first focal plane in a second focal plane with a second rectilinear receiver (7) for selecting a second wavelength range. The inventive device can be extended by a third arrangement of slit (8), grating (9) and linear diode detector.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung eines Spektrums einer Strahlung, insbesondere im UV- Bereich. The invention relates to a device for measurement a spectrum of radiation, especially in the UV Area.

Hinsichtlich der Messung des Spektrums solarer Strahlung im Wellenlängenbereich von 285 nm bis 800 nm, der für die Erforschung des solaren Strahlungstransfers durch die Erdatmosphäre und der begleitenden photochemischen und photobiologischen Prozesse eine wichtige Rolle spielt, ist zu beachten, daß aufgrund der Ozonabsorption, vorwiegend in der Stratosphäre, das solare Spektrum im ultravioletten Bereich (UV-B und UV-A zwischen 280 nm und 400 nm) zwischen einer Wellenlänge von 285 nm und 320 nm einen starken Anstieg der Strahlungsstärke um etwa sechs Größenordnungen aufweist, der auch UV-Kante genannt wird. Bei Wellenlängen kleiner als 285 nm erreicht praktisch keine solare Strahlung mehr die Erdoberfläche, da sie vollständig durch das atmosphärische Ozon absorbiert wird. Die Messung des gesamten solaren UV-Spektrums von 285 nm bis 400 nm bedarf deshalb hochwertiger Meßtechnik vor allem bezüglich des Dynamikbereichs und der Unterdrückung von Streulicht. Regarding the measurement of the solar spectrum Radiation in the wavelength range from 285 nm to 800 nm, the one for researching the solar Radiation transfers through the Earth's atmosphere and the accompanying photochemical and photobiological processes plays an important role, it should be noted that due to ozone absorption, mainly in the stratosphere, the solar spectrum in the ultraviolet range (UV-B and UV-A between 280 nm and 400 nm) between one Wavelength of 285 nm and 320 nm a strong one Radiance increases by about six Orders of magnitude, which is also called UV edge. at Wavelengths less than 285 nm practically reached no more solar radiation from the earth's surface as it completely absorbed by atmospheric ozone becomes. The measurement of the entire solar UV spectrum from 285 nm to 400 nm therefore requires high quality Measurement technology especially with regard to the dynamic range and the suppression of stray light.

Die meisten der bisherigen Meßgeräte verwenden eine Anordnung von zwei in Reihe geschalteten Monochromatoren, um eine Streulichtunterdrückung von etwa 10^-9 zu erreichen, und einen Photomultiplier mit Lock-in Verstärkertechnik als Detektor, um den notwendigen Dynamikbereich von mehr als sechs Größenordnung erzielen zu können. Die Verwendung von Monochromatoren bedingt, daß zu jedem beliebigen Zeitpunkt nur Strahlung einer Wellenlänge das Meßgerät passieren und vom Detektor erfaßt werden kann. Bisherige Meßgeräte tasten deshalb das UV-Spektrum ab, wofür beispielsweise bei einer Schrittweite von 0,25 nm mehrere Minuten benötigt werden. Diese große Zeitspanne ist vor allem bei der Messung von solaren UV-Spektren unter schnell wechselnden atmosphärischen Bedingungen von entscheidendem Nachteil. Solche Bedingungen treten beispielsweise bei durchbrochener Bewölkung mit typischen Zeitskalen von wenigen Sekunden auf. Most of the previous measuring devices use an arrangement of two series-connected monochromators to achieve a suppression of stray light of about 10 ^-9 , and a photomultiplier with lock-in amplifier technology as a detector in order to achieve the necessary dynamic range of more than six orders of magnitude. The use of monochromators means that only radiation of one wavelength can pass the measuring device at any time and can be detected by the detector. Previous measuring devices therefore scan the UV spectrum, which, for example, takes several minutes with a step size of 0.25 nm. This large period of time is a decisive disadvantage, especially when measuring solar UV spectra under rapidly changing atmospheric conditions. Such conditions occur, for example, with broken clouds with typical time scales of a few seconds.

Aus der US 5 565 983 ist ein optisches Spektrometer zum Detektieren von Spektren in unterschiedlichen Bereichen beschrieben. Dabei wird ein dispersives Gitter zum Aufspalten der auftreffenden Strahlung verwendet, das zwei Bereiche verschiedener Liniendichten aufweist. Mittels einer Blende wird abwechselnd der eine Teil des Gitters für den UV-Bereich des Spektrums und der andere Teil für den sichtbaren Bereich verwendet. An optical spectrometer is known from US Pat. No. 5,565,983 for detecting spectra in different Areas described. This is a dispersive Grid for splitting the incident radiation used that two areas of different line densities having. By means of an aperture, the part of the grating for the UV range of the Spectrum and the other part for the visible range used.

Ausgehend von dem genannten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Messung eines Spektrums zu schaffen, die eine schnelle und simultane Messung des Spektrums bei gleichzeitig ausreichend hoher Streulichtunterdrückung und genügendem Dynamikbereich gestattet. Based on the prior art mentioned the invention has for its object a device to measure a spectrum to create the one fast and simultaneous measurement of the spectrum at the same time sufficiently high Stray light suppression and sufficient dynamic range allowed.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Hauptanspruchs gelöst. This object is achieved by the features of the main claim solved.

Dadurch, daß Mittel vorgesehen sind, die das Spektrum, insbesondere das UV-Spektrum in einen langwelligen Bereich, der in einer ersten Fokalebene erfaßt wird und in einen kurzwelligen Bereich, der durch weitere Mittel weiter spektral aufgespalten wird und in einer zweiten Fokalebene erfaßt wird, wird einerseits eine ausreichende Streulichtunterdrückung für die Messung von kleinen Bestrahlungsstärken im kurzwelligen Bereich und andererseits mit der Verwendung eines weniger empfindlichen Detektortyps in der ersten Fokalebene ein genügend großer Dynamikbereich für die Messung von Spektren, insbesondere von solaren Spektren ermöglicht. Die Nachweisgrenze liegt streulichtbedingt für ein typisches solares Spektrum bei 8.10^-5 W/(m²nm). Die Sättigungsbestrahlungsstärke für 400 nm liegt bei 50 W/(m²nm) und damit etwa um einen Faktor 50 über dem von solaren UV-Spektren zu erwartenden Höchstwert. Die Messung eines Spektrums ist außerordentlich schnell und benötigt z. B. etwa eine Sekunde, wobei sie alle drei Sekunden wiederholt werden kann. Characterized in that means are provided that the spectrum, in particular the UV spectrum in a long-wave range, which is detected in a first focal plane and in a short-wave range, which is further spectrally split by other means and is detected in a second focal plane, On the one hand, sufficient stray light suppression for the measurement of small irradiance levels in the short-wave range and on the other hand with the use of a less sensitive detector type in the first focal plane, a sufficiently large dynamic range for the measurement of spectra, in particular solar spectra, is made possible. The detection limit for a typical solar spectrum is 8.10 ^-5 W / (m ² nm) due to scattered light. The saturation irradiance for 400 nm is 50 W / (m ² nm) and thus about a factor of 50 above the maximum value to be expected from solar UV spectra. The measurement of a spectrum is extremely fast and requires e.g. B. about a second, which can be repeated every three seconds.

Der hauptsächliche Vorteil der Erfindung liegt in der Kombination schneller und vor allem bei allen Wellenlängen simultaner Aufnahmen eines Spektrums zwischen z. B. 289 nm und ca. 800 nm mit hoher Genauigkeit sowohl hinsichtlich der Wellenlängenzuordnung als auch der Nachweisgrenze und dem großen Dynamikbereich. Mit Hilfe dieser Eigenschaften eröffnet die Erfindung bei einer Anwendung in der Erforschung des Strahlungstransfers solarer UV-Strahlung durch die Erdatmosphäre die Möglichkeit schnell wechselnde Bedingungen, wie beispielsweise bei einer durchbrochenen Bewölkung zu untersuchen. The main advantage of the invention is that Combination faster and especially for everyone Wavelengths of simultaneous recordings of a spectrum between z. B. 289 nm and about 800 nm with high accuracy both in terms of wavelength assignment as well the detection limit and the large dynamic range. With The invention opens up these properties with the aid of these properties an application in researching the Radiation transfers from solar UV radiation through the Earth's atmosphere the possibility of quickly changing Conditions, such as a broken one Investigate cloud cover.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. An embodiment of the invention is the Drawing shown and is in the following Description explained in more detail.

Es zeigen Show it

Fig. 1 eine perspektivische schematische Ansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung, Fig. 1 is a perspective schematic view of the device according to the invention,

Fig. 2 eine Aufsicht auf die erfindungsgemäße Vorrichtung nach Fig. 1, und Fig. 2 is a plan view of the device according to the invention according to Fig. 1, and

Fig. 3 eine Darstellung von einer Vielzahl von solaren UV-Spektren, die mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung aufgenommen wurden in dreidimensionaler Darstellung hinsichtlich Meßzeit, Wellenlänge und Strahlungsstärke. Fig. 3 is a representation of a plurality of solar UV spectra were recorded with the inventive device in three-dimensional representation with respect to measurement time, wavelength and intensity of radiation.

Das in den Fig. 1 und 2 dargestellte Spektralradiometer weist mehrere Kammern, im Ausführungsbeispiel 4 auf, die durch Trennwände zur Vermeidung von Störlicht abgeteilt sind. In dem Einfallsstrahlengang 20 ist ein Eingangsspalt 1 vorgesehen, dem eine Irisblende 2 am Ende einer Vorkammer 11 nachgeschaltet ist. Der Einfallsstrahlengang 20 endet auf einem ersten optischen Gitter 3, das sich in einer ersten Kammer 12 befindet und das die einfallende Strahlung in ein Spektrum aufspaltet. In einer ersten Fokalebene, die vorzugsweise im Bereich einer Trennwand 13 zwischen der ersten Kammer 12 und einer zweiten Kammer 14 liegt, ist eine zeilenförmige Empfängeranordnung 5 angebracht, die vorzugsweise aus 64 Photodioden gebildet ist, die simultan Strahlung des UV- Spektrums von 309 nm bis 406 nm mit einer Auflösung von 1,575 nm empfangen. Die Empfängeranordnung 5 ist mit einer nicht dargestellten Aufzeichnungsvorrichtung verbunden, mit der die erfaßte Strahlung aufgezeichnet und/oder dargestellt werden kann. The spectroradiometer shown in FIGS. 1 and 2 has a plurality of chambers, in the exemplary embodiment 4, which are partitioned off by partitions to avoid interfering light. An input slit 1 is provided in the incident beam path 20 , which is followed by an iris diaphragm 2 at the end of a prechamber 11 . The incident beam path 20 ends on a first optical grating 3 , which is located in a first chamber 12 and which splits the incident radiation into a spectrum. In a first focal plane, which is preferably in the area of a partition 13 between the first chamber 12 and a second chamber 14 , a line-shaped receiver arrangement 5 is attached, which is preferably formed from 64 photodiodes, which simultaneously emit radiation of the UV spectrum from 309 nm to 406 nm received with a resolution of 1.575 nm. The receiver arrangement 5 is connected to a recording device, not shown, with which the detected radiation can be recorded and / or displayed.

In der Trennwand 13 im Bereich der ersten Fokalebene ist eine spalt- oder schlitzförmige Öffnung 4 vorgesehen, durch die ein Teil der von dem ersten Gitter 3 aufgespaltenen Spektrums hindurchgeht, wobei in diesem Strahlengang ein zweites optisches Gitter 6 angeordnet ist, das die durch die spaltartige Öffnung 4 hindurchfallende Strahlung auf eine in einer zweiten Fokalebene vorgesehene zweite Empfängeranordnung 7 lenkt. Die zweite Empfängeranordnung 7 besteht aus einer Zeile aus 32 Photomultipliern, die die UV- Strahlung von 289 nm bis 309 nm mit einer Auflösung von 0,639 nm empfangen. In the partition 13 in the area of the first focal plane, a slit or slot-shaped opening 4 is provided, through which a part of the spectrum split by the first grating 3 passes, a second optical grating 6 being arranged in this beam path, which through the slit-like Opening 4 directs radiation passing through to a second receiver arrangement 7 provided in a second focal plane. The second receiver arrangement 7 consists of a row of 32 photomultipliers which receive the UV radiation from 289 nm to 309 nm with a resolution of 0.639 nm.

Im Bereich der spaltförmigen Öffnung 4 kann zusätzlich zur Streulichtunterdrückung ein Filter angeordnet sein, das eine Zentrumswellenlänge bei 320 nm aufweist. In addition to the stray light suppression, a filter can be arranged in the area of the slit-shaped opening 4 , which has a center wavelength at 320 nm.

In einer Trennwand 15 zwischen der ersten Kammer 12 und einer dritten Kammer 16 ist ein Spalt 8 angeordnet, dem ein drittes optisches Gitter 9 nachgeschaltet ist. Das Bild des Spaltes wird auf eine Diodenzeile 10 aus 64 Einzeldioden mit einer Auflösung von ca. 0,8 nm als dritte Empfängeranordnung abgebildet. Die zweite und dritte Empfängeranordnung sind ebenso wie die erste Empfängeranordnung mit der Aufzeichnungsvorrichtung verbunden. A gap 8 is arranged in a partition 15 between the first chamber 12 and a third chamber 16 , which is followed by a third optical grating 9 . The image of the gap is imaged on a diode row 10 composed of 64 individual diodes with a resolution of approximately 0.8 nm as a third receiver arrangement. The second and third receiver arrangements, like the first receiver arrangement, are connected to the recording device.

Das gewünschte Spektrum, z. B. das solare Spektrum wird in der Weise gemessen, daß Strahlung auf den Eingangsspalt 1 gerichtet wird, wobei der Strahlengang durch die Irisblende am Ende der Vorkammer 11 auf das erste optische Gitter 3 verläuft. Dieses spaltet die einfallende Strahlung in ein Spektrum auf und bildet gleichzeitig den Eingangsspalt nach Wellenlängen getrennt auf die erste Fokal ab. Die in dieser angeordneten zeilenförmige Empfängeranordnung 5 aus 64 Photodioden erfaßt das UV-Spektrum von 309 nm bis 406 nm mit der Auflösung von 1,575 nm in simultaner Weise. Der kurzwellige Teil des UV-Spektrums gelangt durch die spaltförmige Öffnung in der Trennwand 13 auf das zweite optische Gitter 6. Diese Erweiterung der optischen Anordnung sorgt für die notwendige Streulichtunterdrückung zur Messung der geringen Bestrahlungsstärken des solaren UV-Spektrums unterhalb von 309 nm, wobei das Filter bei der Öffnung 4 die Streulichtunterdrückung weiter verbessert. Das zweite optische Gitter 6 bildet das Bild der Öffnung in der ersten Fokalebene auf die zweite Fokalebene ab, d. h. die aus 32 Photomultipliern gebildete zweite Empfängeranordnung 7 erfaßt das UV-Spektrum von 289 nm bis 309 nm in simultaner Weise. The desired spectrum, e.g. B. the solar spectrum is measured in such a way that radiation is directed onto the input slit 1 , the beam path running through the iris diaphragm at the end of the prechamber 11 onto the first optical grating 3 . This splits the incident radiation into a spectrum and simultaneously maps the input slit to the first focal by wavelength. The line-shaped receiver arrangement 5 of 64 photodiodes arranged in this detects the UV spectrum from 309 nm to 406 nm with the resolution of 1.575 nm in a simultaneous manner. The short-wave part of the UV spectrum reaches the second optical grating 6 through the slit-shaped opening in the partition 13 . This expansion of the optical arrangement provides the necessary stray light suppression for measuring the low irradiance levels of the solar UV spectrum below 309 nm, the filter at opening 4 further improving the stray light suppression. The second optical grating 6 forms the image of the opening in the first focal plane on the second focal plane, ie the second receiver arrangement 7 formed from 32 photomultipliers detects the UV spectrum from 289 nm to 309 nm simultaneously.

Zusätzlich zum UV-Spektrum besteht die Möglich, den gesamten sichtbaren Bereich des Spektrums und einen Teil des infraroten Spektrums bis zu einer Wellenlänge von 800 nm zu messen, dazu wird die nullte Ordnung des auf das erste Gitter 3 auffallenden Strahls verwendet und durch den Spalt 8 auf das dritte optische Gitter 9 geleitet. Dieses bildet den Spalt auf der Diodenzeile 10 ab. Das simultan erfaßte Spektrum wird mittels der mit den Empfängeranordnungen verbundenen Aufzeichnungsvorrichtung aufgezeichnet und/oder auf einem Bildschirm oder dergleichen dargestellt. In addition to the UV spectrum, it is possible to measure the entire visible region of the spectrum and part of the infrared spectrum up to a wavelength of 800 nm, for this purpose the zero order of the beam incident on the first grating 3 is used and through the gap 8 directed to the third optical grating 9 . This forms the gap on the diode row 10 . The simultaneously acquired spectrum is recorded by means of the recording device connected to the receiver arrangements and / or displayed on a screen or the like.

In Fig. 3 sind derartige Spektren im UV-Bereich dargestellt und zwar sind es 100 solare UV-Spektren, die mit dem erfindungsgemäßen Spektralradiometer innerhalb von 8 min. gemessen wurden. Die Bestrahlungsstärke ist nach oben und die Wellenlängen sind nach hinten aufgetragen. Die helle gibt das Spektrum wieder, das innerhalb derselben Zeitspanne mit einem gewöhnlichen abtastenden Spektralradiometer aufgenommen wurde. Die Einbrüche in der Bestrahlungsstärke, die vor allem bei großen Wellenlängen erkennbar sind, sind auf Wolken zurückzuführen, die sich kurzfristig vor die Sonne geschoben haben. Daraus ist erkennbar, wie stark sich die Strahlungssituation vor allem bei großen Wellenlängen während 8 min. ändern kann. Die Darstellung verdeutlicht den Informationsgewinn, den die Neuentwicklung gegenüber dem gewöhnlichen Spektralradiometer erzielt. Das simultan messende Spektralradiometer erfaßt die Bestrahlungsstärke auch über die Zeit und liefert dadurch im Vergleich zum gewöhnlichen Spektralradiometer eine zusätzlich Dimension im dargestellten Datenraum. In Fig. 3 such spectra in the UV region are shown, and while there are 100 solar UV spectra min with the inventive spectroradiometer within 8. were measured. The irradiance is upwards and the wavelengths are applied backwards. The light one shows the spectrum that was recorded within the same time period with a normal scanning spectroradiometer. The drop in irradiance, which is particularly noticeable at long wavelengths, can be attributed to clouds that briefly moved in front of the sun. This shows how strong the radiation situation, especially at long wavelengths, is for 8 minutes. can change. The illustration illustrates the information gain that the new development achieves compared to the conventional spectroradiometer. The simultaneous measuring spectroradiometer also measures the irradiance over time and thus provides an additional dimension in the data space shown compared to the usual spectroradiometer.

Claims

1. Device for measuring a spectrum of radiation, in particular in the UV range, with an input slit ( 1 ), an arrangement ( 3 ) for splitting the incident radiation into a spectrum and imaging the input slit ( 1 ) on a first focal plane separated by wavelengths, wherein a first receiver arrangement ( 5 ) is arranged in a row in the first focal plane and detects a first wavelength range in a wavelength-selective manner, with an opening ( 4 ) in the first focal plane and a second arrangement ( 6 ) arranged behind the opening for splitting the through the opening ( 4 ) radiation reaching into a second spectrum and imaging the opening ( 4 ) of the first focal plane into a second focal plane, a second receiver arrangement ( 7 ) being arranged in a row in the second focal plane and detecting a second wavelength range in a wavelength-selective manner.

2. Device according to claim 1, characterized characterized in that the first wavelength range between 309 nm and 406 nm and the second Wavelength range between 285 nm and 309 nm, where the irradiance of the to be measured Radiation in the second wavelength range very much much smaller than in the first wavelength range is.

3. Device according to claim 1 or claim 2, characterized in that the first and second arrangement for splitting and imaging are a first and a second optical grating ( 3 , 6 ).

4. Device according to one of claims 1 to 3, characterized in that a filter for stray light suppression with a center wavelength of about 320 nm is provided in the opening ( 4 ) in the first focal plane.

5. Device according to one of claims 1 to 4, characterized in that the first receiver arrangement ( 5 ) consists of line-shaped photodiodes.

6. The device according to claim 5, characterized characterized in that the UV spectrum in the first Wavelength range with a resolution of 1.575 nm can be recorded simultaneously.

7. Device according to one of claims 1 to 6, characterized in that the second receiver arrangement ( 7 ) consists of line-shaped photomultipliers.

8. The device according to claim 7, characterized characterized in that the UV spectrum in the second Wavelength range with a resolution of 0.639 nm is detectable.

9. Device according to one of claims 1 to 3, characterized in that a third arrangement ( 9 ) for splitting a radiation supplied by a further gap ( 8 ) from the first arrangement ( 3 ) for splitting into a third spectrum and imaging the gap ( 8 ) is provided on a third line-shaped receiver arrangement ( 9 ) which detects the spectrum in a third wavelength range in a wavelength-selective manner.

10. The device according to claim 9, characterized in that the third receiver arrangement ( 10 ) is designed as a diode row.

11. The device according to claim 9 or claim 10, characterized in that the third Wavelength range approximately between 406 nm and 800 nm lies.

12. Device according to one of claims 1 to 11, characterized in that at least three chambers ( 12 , 14 , 16 ) are provided which are separated from one another by partition walls ( 13 , 15 ), in the partition walls ( 13 ) between the first chamber and the second chamber and between the first and third chamber the opening ( 4 ) and the further gap ( 8 ) are provided.